C语言程序内存安全检查

静态存储区检查

set(CMAKE_EXE_LINKER_FLAGS "-Wl,-Map=output.map") # 生成map文件  
set(CMAKE_C_FLAGS "-fdata-sections") # 把static变量地址输出到map文件  
set(CMAKE_CXX_FLAGS "-fdata-sections")

帮助检测静态存储区的arr数组是否出现了数组越界操作。

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动态存储区检查

工具

• ASAN
• dmalloc
• valgrind

ASAN

ASAN（Address Sanitizer）是针对 C/C++ 的快速内存错误检测工具，在运行时检测 C/C++ 代码中的多种内存错误。 在 GCC 编译选项中设置 -fsanitize=address，启用快速内存错误检测器 ASAN。比如 -fsanitize-coverage=trace-pc，启用覆盖率指导的模糊代码检测，等。 详细参考：Home · google/sanitizers Wiki (github.com)

Valgrind

Valgrind由内核（core）以及基于内核的其他调试工具组成。其基于仿真方式对程序进行调试，它先于应用程序获取实际处理器的控制权，并在实际处理器的基础上仿真一个虚拟处理器，并使应用程序运行于这个虚拟处理器之上，从而对应用程序的运行进行监视。

官网 Valgrind工具包包含多个工具，如Memcheck、Cachegrind、Helgrind、Callgrind、Massif。

• Memcheck工具是Valgrind中最常用的工具，用来检测程序中出现的内存问题。
• Callgrind收集程序运行时的一些数据，函数调用关系等信息，还可以有选择地进行cache模拟。在运行结束时，它会把分析数据写入一个文件。
• Helgrind 主要用来检查多线程程序中出现的竞争问题。
• Callgrind 模拟 CPU中的一级缓存I1,D1和L2二级缓存，能够精确地指出程序中 cache的丢失和命中。
• Massif 堆栈分析器，它能测量程序在堆栈中使用了多少内存，如堆块、堆管理块和栈的大小。 简单使用，对下面的 C 程序进行测试：

#include <stdlib.h>  
  
void f(void)  {  
	int* x = malloc(10 * sizeof(int));  
	x[10] = 0;       // problem 1: heap block overrun  
}                 // problem 2: memory leak -- x not freed  
  
int main(void)  {  
	f();  
	return 0;  
}

sudo apt install valgrind

gcc -g valgrind_test.c -o valgrind_test

valgrind --leak-check=yes --tool=memcheck ./valgrind_test

自定义带检测的内存管理函数

在实际内容前后加上指定的标记数据，达到检测哨兵的效果。

#define BEFORE_RED_AREA_LEN  (4)            // 前红区长度  
#define AFTER_RED_AREA_LEN   (4)            // 后红区长度  
#define LEN_AREA_LEN         (4)            // 长度区长度  
  
#define BEFORE_RED_AREA_DATA (0x11223344u)  // 前红区数据  
#define AFTER_RED_AREA_DATA  (0x55667788u)  // 后红区数据  
  
void *Malloc(size_t __size)  
{  
    // 申请内存：4 + 4 + __size + 4  
    void *ptr = malloc(BEFORE_RED_AREA_LEN + AFTER_RED_AREA_LEN + __size + LEN_AREA_LEN);  
    if (NULL == ptr)  
    {  
        printf("[%s]malloc error\n", __FUNCTION__);  
        return NULL;  
    }  
  
    // 往前红区地址写入固定值  
    *((unsigned int*)(ptr)) = BEFORE_RED_AREA_DATA;       
  
    // 往长度区地址写入长度       
    *((unsigned int*)(ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN)) = __size;    
  
    // 往后红区地址写入固定值  
    *((unsigned int*)(ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN + LEN_AREA_LEN + __size)) = AFTER_RED_AREA_DATA;    
  
    // 返回数据区地址  
    void *data_area_ptr = (ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN + LEN_AREA_LEN);  
    return data_area_ptr;  
}


void CheckMem(void *ptr, size_t __size)  
{  
    void *data_area_ptr = ptr;  
  
    // 检测是否踩了前红区  
    printf("[%s]before_red_area_data = 0x%x\n", __FUNCTION__, *((unsigned int*)(data_area_ptr - LEN_AREA_LEN - BEFORE_RED_AREA_LEN)));  
    assert(*((unsigned int*)(data_area_ptr - LEN_AREA_LEN - BEFORE_RED_AREA_LEN)) == BEFORE_RED_AREA_DATA);  
  
    // 检测是否踩了长度区  
    printf("[%s]len_area_data = 0x%x\n", __FUNCTION__, *((unsigned int*)(data_area_ptr - LEN_AREA_LEN)));  
    assert(*((unsigned int*)(data_area_ptr - LEN_AREA_LEN)) == __size);   
  
    // 检测是否踩了后红区  
    printf("[%s]after_red_area_data = 0x%x\n", __FUNCTION__, *((unsigned int*)(data_area_ptr + __size)));  
    assert(*((unsigned int*)(data_area_ptr + __size)) == AFTER_RED_AREA_DATA);   
}


void Free(void *ptr)  
{  
    void *all_area_ptr = ptr - LEN_AREA_LEN - BEFORE_RED_AREA_LEN;  
  
    // 检测是否踩了前红区  
    printf("[%s]before_red_area_data = 0x%x\n", __FUNCTION__, *((unsigned int*)(all_area_ptr)));  
    assert(*((unsigned int*)(all_area_ptr)) == BEFORE_RED_AREA_DATA);  
  
    // 读取长度区内容  
    size_t __size = *((unsigned int*)(all_area_ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN));  
  
    // 检测是否踩了后红区  
    printf("[%s]before_red_area_data = 0x%x\n", __FUNCTION__, *((unsigned int*)(all_area_ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN + LEN_AREA_LEN + __size)));  
    assert(*((unsigned int*)(all_area_ptr + BEFORE_RED_AREA_LEN + LEN_AREA_LEN + __size)) == AFTER_RED_AREA_DATA);  
  
    // 释放所有区域内存  
    free(all_area_ptr);  
}